轎車柴油機用鋼活塞

【德】 Ottliczky E Voigt M Weimar H J Weiss E

0 前言

近年來，對現(xiàn)代轎車柴油機的要求越來越高。為了提高熱效率和機械效率，實施小型化理念的公司如雨后春筍般地增多，致使發(fā)動機升功率提高至90 k W/L以上，最高燃燒壓力攀升至20 MPa以上。當今，鋁合金活塞的疲勞強度已無法滿足由此產(chǎn)生的熱負荷和機械負荷，因此，活塞采用強度較高的鋼及可靠性更好的活塞設計已迫在眉睫。近年來，鋼活塞在商用車發(fā)動機領域早已被廣泛運用。

1 設計方案

KS Kolbenschmidt公司已獲專利保護的鋼活塞由1個整體式鍛件組成。通過一種特殊的制造工藝，使成形的活塞環(huán)區(qū)具有封閉式的冷卻腔。然后，借助于嵌縫連接技術，將活塞環(huán)區(qū)與活塞裙部彼此連接。為使鋼材料獲得與鋁合金相同的質(zhì)量，設計的鋼活塞具有以下特點：壁面厚度薄、冷卻腔大、壓縮高度低。

必需的活塞銷直徑、連桿小頭孔幾何尺寸及燃燒室凹坑決定了壓縮高度。研發(fā)中，將壓縮高度降低30%，就有可能使活塞火力岸高度下降50%（圖1）。這樣可配裝較長的連桿，從而減小活塞裙部與氣缸接觸面的側向力和摩擦。新型發(fā)動機采用高度較低的氣缸體，使得結構更加緊湊。這不僅思味減輕了發(fā)動機的質(zhì)量，而且在行人保護方面提高了車輛的被動安全性。

活塞銷為降低活塞組的質(zhì)量起著重要的作用。由于活塞使用鋼材料，使其銷孔可承受的單位面積壓力提高80%，所以，可顯著降低活塞銷的長度，從而補償了活塞的大部分質(zhì)量?；钊N的另一個特點是，在其表面涂覆具有減摩功能的類金剛石碳。

活塞冷卻非常重要。設計冷卻腔的關鍵在于：（1）要求距燃燒室凹坑邊緣的距離短，（2）第1道環(huán)槽采取隔熱措施。與鋁活塞相比，鋼活塞的冷卻腔容積增大了57%，并且，活塞冷卻腔的有效傳熱表面擴大了54%（圖1）。冷卻腔內(nèi)部的自由高度也尤為重要，活塞往復直線運動時，通過對流可使高熱流流出（振蕩效應）。KS Kolbenschmidt公司的設計理念是，在冷卻通道內(nèi)沒有會阻礙油流、進而降低傳熱能力的焊縫。根據(jù)分析，鋼活塞環(huán)區(qū)的溫度要比鋁活塞的低，在活塞壽命期內(nèi)減少了環(huán)槽中的積炭，降低了環(huán)槽與活塞環(huán)的磨損，而且活塞環(huán)無需進行特殊的匹配工作。為了防止過高的熱量傳遞而導致機油過熱，必須對冷卻機油的流量進行調(diào)整。

活塞選用優(yōu)質(zhì)鋼42Cr Mo4為材料。為使發(fā)動機實現(xiàn)高升功率，這種鋼材在可成形性、可連接性、可加工性、強度特性及抗氧化性之間具有良好的折衷關系。

2 模擬

與鋁相比，鋼具有較高的抗疲勞強度，能夠滿足現(xiàn)代轎車柴油機日益提高的功率密度和承受25 MPa最高燃燒壓力的要求。在相同的發(fā)動機功率情況下，這2種活塞的溫度分布情況（圖2）表明，鋼材料的熱導率極低。鋼活塞內(nèi)較大的冷卻腔將環(huán)區(qū)分隔開，以防止熱量進人燃燒室凹坑，所以，鋼活塞的環(huán)槽溫度要比鋁活塞的低50℃。鋼活塞燃燒室凹坑邊緣和凹坑底部的溫度卻高出31℃。

根據(jù)對燃燒循環(huán)中負荷狀況的分析，以及與溫度有關的材質(zhì)強度特性，可以得出安全系數(shù)。如圖3所示，鋁活塞燃燒室凹坑區(qū)域的狀態(tài)被標定為苛刻。而鋼活塞的條件要溫和許多，并具有進一步提高功率的潛力。

由于熱膨脹的緣故，在發(fā)動機運行圖的大部分范圍內(nèi)，鋁活塞都是在活塞裙部負荷同時作用在推力端和止推端的狀況下工作的，亦即在燃燒循環(huán)的絕大部分行程內(nèi)，活塞都是在活塞裙部與氣缸處于過盈配合的狀況下運行。在這種情況下，降低摩擦損失的措施之一是增加總成的間隙。對于鋼活塞而言，不同的材料性質(zhì)（導熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)）會導致重疊作用力降低或無重疊作用力，致使摩擦損失僅發(fā)生在活塞裙部的接觸端。由于減少了活塞裙部的表面積和采用不對稱設計，使得在實測的部分負荷處的平均摩擦功率下降50%（圖4）。

由于活塞組總成間隙較小，顯著改善了在“冷機怠速”運行工況點的噪聲特性。在點火上止點因活塞端變化而產(chǎn)生的臨界振動激勵，能使鋼活塞的激勵水平比鋁活塞的低5 dB 以上，圖5示出了氣缸外壁上某一具有代表性的點。由于“部分負荷暖機”工況點的暖機間隙不合適，因而必須進行精細的活塞設計。對鋼活塞裙部的剛度和支承進行優(yōu)化，并設有合適的活塞中心線偏移量及活塞裙部間隙，使之能夠達到與鋁活塞相當?shù)募钏健?/p>

3 發(fā)動機試驗

為了滿足歐4和歐5發(fā)動機排放法規(guī)要求，將轎車發(fā)動機用鋼活塞安裝在4缸、6缸和8缸機上，進行各種發(fā)動機試驗。除基本性能外，經(jīng)過幾百小時的持續(xù)運轉(zhuǎn)及最高燃燒壓力高達22 MPa的耐久性試驗證實：鋼活塞的運行平穩(wěn)性良好。

在1臺歐4最高燃燒壓力高達19 MPa V 型發(fā)動機上，進行活塞初始溫度測量。圖6 給出在額定功率和轉(zhuǎn)速下，分別對在鋁活塞和鋼活塞燃燒室凹坑邊緣、第1道環(huán)槽和活塞銷座處測定的溫度范圍所進行的比較。

鋁活塞凹坑邊緣溫度達到了360～420℃，而鋼活塞在此處的溫度范圍為385～450℃。由于鋼的導熱系數(shù)較低，所以，其燃燒室凹坑邊緣的溫度比鋁活塞的約高30℃。

與鋁活塞相比，轎車發(fā)動機鋼活塞第1 道環(huán)槽的溫度約低50℃，這是其一大特點。鋁活塞的環(huán)槽溫度范圍為260～300℃，由于鋼活塞燃燒室凹坑與環(huán)區(qū)之間的傳熱通道較長、鋼的導熱系數(shù)較小，以及加大冷卻油腔可增加冷卻機油的流量，因而可以顯著降低鋼活塞的環(huán)槽溫度范圍，亦即在220～245℃之間。

測定的鋁活塞的活塞銷座溫度范圍為230～250℃。由于鋼活塞的壓縮高度大大減小，以及活塞銷座與燃燒室凹腔之間的距離較短，因此，活塞銷座的溫度范圍為290～320℃。

在1臺歐5、最高燃燒壓力高達18 MPa的發(fā)動機上，研究了鋼活塞較高表面溫度對發(fā)動機工作性能（尤其排放）的影響。配裝的鋼活塞選用與鋁活塞相同的燃燒室凹坑形狀和壓縮比。通過加長連桿長度，補償被縮短的10 mm 壓縮高度。

這一研究也在其他發(fā)動機上得到驗證，無需對存儲在控制單元內(nèi)的發(fā)動機特性曲線進行任何修改就可獲得穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)特性。為了實施上述試驗研究，將某些工況點的特性曲線與鋼活塞進行了匹配。在某一部分負荷工況點（發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，平均有效壓力為0.2 MPa），測定了燃油消耗率，以及碳氫化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）和碳煙的原始排放值，并與鋁活塞的進行了對比。將鋁活塞得到的數(shù)值設定為100%，并用作比較的基準。

鋼活塞的表面溫度較高，對部分負荷下的HC、CO 和碳煙排放會產(chǎn)生積極的影響。這要歸功于較理想的混合氣形成及更完全的燃燒。值得一提的是，在恒定的廢氣再循環(huán)率條件下，HC 排放減少了76%，同時，碳煙排放減少50%及CO 排放減少23%，這也證實鋼活塞具有明顯的優(yōu)勢。不過，較高的表面溫度和較理想的燃油消耗率會使燃燒溫度升高，從而導致NOx排放增加29%。采用較長的連桿顯著減小了側向力和活塞裙部的摩擦，提高了燃油利用率，從而使燃油消耗率降低4%。

在全負荷（發(fā)動機轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，平均有效壓力為18 MPa）下的測量結果表明，當鋁活塞與鋼活塞在相同的邊界條件（最高燃燒壓力、渦輪增壓器轉(zhuǎn)速）下運行時，兩者的NOx排放水平相同。產(chǎn)生這種結果的原因是全負荷下的燃燒溫度高于活塞表面的溫度。采取熱流量限制措施，可使排氣溫度僅升高1%，從而使鋼活塞的碳煙排放量減少了20%。HC和CO 排放在全負荷下僅起到次要作用，僅為百萬分之幾。

4 結語

KS Kolbenschmidt公司的轎車柴油機用鋼活塞具有設計結構緊湊的優(yōu)點，研究表明，在不影響發(fā)動機特性的情況下，其明顯具有燃油耗和排放方面的優(yōu)勢。該公司認為，由于鋼活塞能承受較高的負載，為提高功率和發(fā)動機縮缸強化拓展了空間，而鋁活塞根本不能與其相媲美。通過調(diào)整壓縮比和燃燒室凹坑的幾何結構，鋼活塞獲得了其他的優(yōu)化可能性。